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1、四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现1XXXXXXXXXX 学院学院 专科毕业设计专科毕业设计( (论文论文) )题 目 四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现 学生姓名 QQ：36878046专业班级 机电一体化 ZB821103学 号 院(系) 机电工程系指导教师(职称) 张忠雨张忠雨老师完成时间 20 年 月 日四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现2四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现摘 要本文简要介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由 度和坐标形式，气动技术的特点，PLC控制的特点及国内外的发展状况。 本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的
2、坐标形式和自由度，确 定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械 手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。 设计了机械手的手臂结构。 设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图，对气压 系统工作原理图的参数化绘制进行了研究，大大提高了绘图效率和图纸质量。 利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械 手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图， 并绘制了可编程序控制器的控制程序。关键词 工业机器人/机械手/气动/可编程序控制器（PLC）四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现
3、3ABSTRACTAt first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the eler. dary information of the development briefly . Whats more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic.The paper introduces the function, composing and classification of the man
4、ipulator , tells out the free-degree and the form of coordinate . At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator,The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator , This paper designs the structure of the wris
5、t , computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump. The paper designs the structure of the arm.The paper designs the system of air pressure drive and draws the work principle chart , the manipulator uses PLC to control . The paper institutes two
6、 control schemes of PLC according to the work flow of the manipulator . The paper draws out the work time sequence chart and the trapezia chart . Whats more , the paper workout the control program of the PLC , KEY WORDS industrial robot, manipulator , pump , air pressure drive , PLC目 录四自由度多用途气动机器人结构
7、设计及控制实现4目录.1 文摘.3Abstract.3Abstract.31 绪论1.1 机械手概述.41.2 机械手的组成和分类.41.2.1 机械手的组成5. 1.2.2 机械手的分类61.3 国内外发展状况. .71.4 课题的提出及主要任务81.4.1 课题的提出91.4.2 课题的主要任务2 机械手的设计方案2.1 机械手的座标型式与自由度.102.2 机械手的手部结构方案设计.112.3 机械手的手腕结构方案设计.122.4 机械手的手臂结构方案设计.122.5 机械手的驱动方案设计.122.6 机械手的控制方案设计.122.7 机械手的主要参数.122.8 机械手的技术参数列表1
8、23 手部结构设计3.1 夹持式手部结构.143.1.1 手指的形状和分类3.1.2 设计时考虑的几个问题3.1.3 手部夹紧气缸的设计四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现54 手腕结构设计4.1 手腕的自由度.184.2 手腕的驱动力矩的计算.194.2.1 手腕转动时所需的驱动力矩4.2.2 回转气缸的驱动力矩计算4.2.3 回转气缸的驱动力矩计算校核5 手臂伸缩，升降，回转气缸的设计与校核5.1 手臂伸缩部分尺寸设计与校核.245.1.1 尺寸设计5.1.2 尺寸校核5.1.3 导向装置5.1.4 平衡装置5.2 手臂升降部分尺寸设计与校核265.2.1 尺寸设计5.2.2 尺寸校
9、核5.3 手臂回转部分尺寸设计与校核275.3.1 尺寸设计5.3.2 尺寸校核6 气动系统设计6.1 气压传动系统工作原理图296.2 气压传动系统工作原理图的参数化绘制30 7 机械手的 PLC 控制设计7.1 可编程序控制器的选择及工作过程.317.1.1 可编程序控制器的选择7.1.2 可编程序控制器的工作过程7.2 可编程序控制器的使用步骤.317.3 机械手可编程序控制器控制方案.328 结论.36 致谢.37 参考文献四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现61 绪 论1.1 工业机械手概述工业机器人由操作机(机械本体)、控四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现7制器、伺服
10、驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可 重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别 适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效 率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术 是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等 多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机 器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简 单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电 子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长
11、 时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器 的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先 进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作， 按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工 业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高 生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现 安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射 性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机 械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以
12、及轻工业、交 通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单， 专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范 围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能 很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量 生产中获得广泛的引用。1.2 机械手的组成和分类1.2.1 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组 成。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现8机械手组成方框图: P
13、ane chart of composition of manipulator (一)执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和 吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和 传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有 回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移 型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工 件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。 手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物 件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式 和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指 产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠 杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式 等。 2、手腕 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势). 3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手
